（信号与信息处理专业论文）钻井工程地质环境建模中的地质参数预测.pdf

摘要 钻前岩性的正确识别、地层压力的准确预测是优选钻头类型以及钻进参数，合理设 计钻井液密度和优化井眼轨迹的基础；也是油气层保护，提高钻井成功率，降低钻井成 本的前提。 本文以中石化重点攻关项目“基于钻井工程地质数据库的钻井模拟”为背景，重点 对钻前地质参数预测的理论和方法进行了研究。本文主要贡献如下： 1 基于支撑向量机的自然伽马测井曲线预测 在分析了地震数据与测井数据之间映射关系的基础上，提出了一种基于支撑向量 机( s v m ) 的自然伽马测井曲线的预测方法。利用已钻井地震数据和自然伽马测井数据， 建立了待钻井自然伽马的支撑向量机预测模型。将该方法应用于噶尔盆地中部地区永字 号井的实际资料对自然伽马进行了预测，并将预测结果与b p 神经网络方法的预测结果进 行了比较，结果表明s v m 方法预测效果好。 2 地层孔隙压力预测 利用支撑向量机建立了一种基于有效应力定理的地层压力预测模型。通过由声波时 差回归的有效应力确定方法和基于声波速度模型的有效应力确定方法的对比表明，有效 应力定理用于预测地层孔隙压力是可行的；采用声波速度模型确定有效应力的地层压力 预测方法应作为地层压力预测的重点研究方法。 关键词：地质建模；参数预测；自然伽马；地层压力；支撑向量机； p a r a m e t e r sp r e d i c t i o ni ng e o l o g i c a le n v i r o n m e n tm o d e l i n gf o r d r i l l i n ge n g i n e e r i n g s u nw e i ( s i g n a la n di n f o m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o 、7 订a n gy a n j i a n g a b s t r a c t t h ec o r r e c tl i t h o l o g i ci d e n t i f i c a t i o na n dt h ea c c i u a t ep r e d i c t i o no ff o m a t i o np r e s s u l ea r e t h eb a s ef o rm eo p t i m i z a t i o no fb i t 咖ea i l dd r i l l i n gp a r a m e t e r ，i ep r o p e rd e t e r m i n a t i o no f m u dd e n s i t ) ra i l dt h eo p t i m i z a t i o no fw e ut r 旬e c t o 巧；m e ya r ea l s ot h ep r e m i s eo ft h er e s e r v o i r p r o t e c t i o n ，t h ei m p r o v e m e n to fd r i l l i n gs u c c e s sr a t ea 1 1 dt h er e d u c t i o no f “l l i n gc o s t b a s e do nt h ek e yp r o j e c to fs i n o p e c d r i u i n gs i m u l a t i o nb a s e do ng e o l o g i c a l d a t a b a s eo fd r i l l i n ge n g i n e e r i n g ，t h i st h e s i sm a i l l l ys t u d i e so nt h em e t h o do ff o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sp r e d i c t i o n 访g e o l o g i c a l e r i r o n m e n tm o d e l i n gf o rd r i l l i n g e n g i n e e r i n g i t sm a i nc o n t r i b u t i o l l sa r ea sf o l l o w s ： 1 n o v e ln 咖r a lg a m m ar a yp r e d i c t i o nm e m o db a s e do ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n e b ya n a l y z i n g 血em a p p i n gr e l a t i o nb e 僦e e n t l l es e i s m i cd a t aa n dw e ul o g g i n g i n f o 肌a t i o n ， ai l o v e ln a t u r a lg 砌ar a y( g r ) p r e d i c t i o nm e t l l o dw 弱p r e s e n t e d t h e p r e d i c t i o nm o d e lf o rg r w a se 嗽i b l i s h e d 丽t l ls u p p o nv e c t o rm a c l l i n e ( s v m ) b e f o r e ( 1 r i l l i n g b yu s i n gt 1 1 es e i s m i ca n d 、e nl o g g i n gd a t 乱t h ep r 叩o s e dm e t l l o dw a sa p p l i e dt op r e d i c tg r o ft h ew e uy o n gi nj u n g g a rb a s i n t h ee x p e r i m e m a lr e s u l t ss h o wm a tt h ep r e d i c t i o ne f - f e c to f s v mm e t h o di sb e 讹rt l l a nb pm e t h o db a s e d 2 f o 衄a t i o np i e s s u r ep r e d i c t i o n a p o r ep r e s s u r ep r e d i c t i o nm o d e lw a u se 咄b l i s h e db a s e do ne f r e c t i v ep r e s s u r et h e o r e m t l l i sp r o c e s s 、 ，a si m p l e m e n t e d 、7 l ，i ms u p p o r tv e c t o rm a c h i n e t t l em e t l l o du s i n gs o i l i ci r l t e r v a l 咖s “t i m er e g r e s s i o nt od e t e n i l i n em ee f j e e c t i v es t r e s sa n dm eo n eu s i r 培s o i l i cv e l o c i t ) ，m o d e l w e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o w l a ti ti sf i e a s i b l et op r e d i c tp o r ep r e s s u r eb yu s i n ge f 绝c t i v e p r e s s u r et h e o r e m ；t h em e t h o du s i n gs o i l i cv e l o c i t ym o d e ls h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n f i r s t l y k e yw o r d s ：g e o l o g i c 2 l lm o d e l i n g ；p a r a m e t e rp r e d i c t i o n ；n a ：t u r a lg a m m ar a y ；f o m l a t i o n p r e s s u r e ；s u p p o r tv e c t o rm a c l l i n e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：矽o g 年月g 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：望臣 指导教师签名： 日期：瑚孑年6 月r 日 日期：廊年6 月f 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 论文研究背景及意义 石油天然气钻井工程因其资金消耗巨大，井下情况错综复杂，施工过程风险莫测【1 1 ， 要求施工人员在钻前必须制定合理的施工方案，涉及到一系列的关键技术。其中，岩性 识别是确定钻头类型以及钻进参数，进行井眼轨迹控制的基础，同时岩性解释也是地层 压力分析的基础。而地层压力预测在钻井中是设计钻井液密度和井身结构的基本依据， 也是油气层保护，提高钻井成功率，降低钻井成本的前提等等。解决这些关键技术的前 提是钻前获取这些地质参数预测值。 面向2 l 世纪，老油田提高采收率及低压低渗和稠油储层的高效开发，高压高温油气 藏，特别是深部油气资源的钻探与开发【2 】，使得钻井工程遇到的地层体系越来越复杂， 对地质参数预测精度的要求越来越高，旧的地质参数预测技术已经不能适应钻井施工的 需要，迫切需要开发新的、预测精度更高的地质参数预测技术。 随着相关技术的发展，进行高精度地质参数预测的可行性越来越大。测井资料用于 地质参数预测的预测效果与精度远优于地震资料，成为公认的用于获取高精度地质参数 的重要手段。自然伽马测井曲线包含丰富的岩性信息，对岩性反应灵敏，在岩性识别中 发挥着重要的作用；同时自然伽马还被广泛用于泥质含量的估算，在求取等其他地质参 数方面获得了重要应用。而具有分布处理、自学习、自组织、高度非线性和容错能力人 工智能技术在地质参数预测领域的理论研究及应用有着非常重要的意义。 但是测井资料预测并不属于严格意义上的参数预测，而是一种“钻后”预测。待钻 井唯一可以获取的就是地震资料，而钻前自然伽马测井曲线却是未知的。因此本课题主 要是研究如何通过地震数据获取自然伽马测井数据以及如何通过测井数据预测地层孔 隙压力。常规的回归估计或者数值分析方法无法解决地震数据与测井数据之间的非线性 映射【3 1 ，本文将采用支撑向量机理论根据待钻井的地震数据预测自然伽马测井曲线，并 利用支撑向量机完成地层孔隙压力的预测。 本课题的目的在于结合中石化重大科技项目“基于钻井工程地质数据库的钻井模 拟 ，利用人工智能理论，以地震资料为基础，充分利用已钻井的地震资料和测井资料， 预测待钻井的自然伽马，并在此基础上预测地层压力。 本课题的意义是非常重要的，首先它可以解决由待钻井地震资料到待钻井自然伽马 测井数据的映射问题，为待钻井岩性的预测奠定了基础，在此基础上可以迸一步由待钻 井的虚拟测井数据进行地层压力分析，为提高钻井模拟和钻井工程设计的水平奠定可靠 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的基础。 1 2 论文研究现状 1 2 1 由地震资料预测自然伽马测井曲线 运用地震及测井资料联合反演的思想，早在上世纪5 0 年代，就取得较好的发展。 特别是基于介质的弹塑性性质的测井的发展，使得测井和地震的结合有了共同的理论基 础。在速度测井诞生的同时，如何将它用于地震资料的改进、修正和处理，是一个迫切 需要解决的问题。例如，利用声波和密度测井，选取适当的子波，通过褶积模型人工合 成地震记录与井旁地震道相对比，确定发射层位，以利于进一步的地震解释。 上世纪8 0 年代后，随着对复杂地质体勘探要求的提高，基于地下构造解释等方面 研究的地球物理解释与地质要求已显脱节。钻井工程迫切需要的不仅是地下的地质构 造，而且对地下地层的岩性、物性等方面都要有全面和更精确地解释，以减少勘探投资 的风险。在此背景下，从测井和地震的频率特性考虑，提出用测井的宽频成分来补偿地 震资料缺失的频带，达到反演资料具有宽频的特征，克服反演的不确定性( b c i ) 。事实 上，这样充分利用了测井纵向高分辨率的特点和地震强的横向追踪能力的特点，使得对 地下地层的预测及描述更准确更精细。 从上世纪8 0 年代末，国外学者将人工智能引入了地震测井联合反演领域。1 9 8 9 年， j l b a l 诵n 将神经网络最早应用于测井解释；1 9 9 1 年，m l s m i t l l 证明了遗传算 法用于多峰值函数的可行性，这种算法已广泛用于地震波形反演；m a l c o l ms 锄b r i d g e 【4 j 及p a u l 用遗传算法实现了对多参数的优化问题；1 9 9 2 年，m c c o m a c k 【5 】及s c h u l t z 等将 神经网络应用于地球物理等其他领域。 1 9 9 4 年，p h i l l i p s 【6 - 8 】发表了有关“地震导向的测井参数估计 的三篇文章，详细讨 论了基于算子的解释方法面临的问题，提出基于统计方法和神经网络方法，由地震记录 识别岩性等。并称这种方法为“数据驱动”的解释方法，强调了“数据 的主动性和重 要性，摆脱了传统算子中数据处于被动状态下被用来验证假设条件下导出少量算子的正 确性。 1 9 9 8 年，l i uz 【9 】用神经网络直接从地震数据预测测井属性，将神经网络用于建立 地震数据和测井属性之间的函数关系，基于人工智能算法的地震测井联合反演揭开了新 的页。 1 9 9 9 年，杨斌【1 0 】提出了测井储层特征的人工智能反演方法。 2 0 0 0 年，彭真明、肖慈王句【l l 】等研究了地震非线性参数重建声波测井曲线，利用人 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 工神经网络建立了地震非线性参数与声波测井的非线性映射，实现了井底以下声波测井 曲线的重建和外推。 2 0 0 0 年，s 1 1 i v 勾in d a s m 将神经网络方法成功用于由地震属性和地震特征求 取出储层特征。 2 0 0 1 年，d a 血e lp h a m p s o n 【1 3 羽】等用人工智能反演方法实现了地震多参数外推测 井属性。 张学庆【1 8 】( 2 0 0 2 年) 将演化算法、模糊系统、小波神经网络方法运用于地震测井 联合反演。 2 0 0 4 年，吴大魁、李亚林【1 9 】等研究了将地震资料和测井资料联合反演技术用于反 演地震剖面的神经网络算法，对三维地震资料的一段连井剖面进行了声波和自然伽马测 井曲线反演，得到了高分辨率、高精度的测井曲线构成的剖面。 总之，基于数值算法及人工智能的地震、测井及地层特征参数的联合反演，国外学 者进行了深入的理论研究并在一些方面取得了重大突破，有些石油公司根据这些理论开 发了一系列软件，应用到钻井勘探开发工程中，取得了巨大的经济效益。 1 2 2 地层压力的预测 1 9 6 5 年h o n m a n 和j o l l i l s o n 【2 0 1 利用先前钻井中的电阻率和声波时差测井资料，创建 了目前仍普遍使用的地层孔隙压力预测方法。他们建立了正常压力趋势线，提出了等效 深度法，而且针对等效深度法的不足，在一些地层中建立适当的经验关系。 1 9 6 6 年f o r s t e r 和w h a l e n 【2 1 1 进一步探讨了等效深度法和有效应力法，从泥质岩的压 实作用与地层孔隙压力分析压力预测的可行性和存在的问题，为定量计算地层孔隙压力 奠定了基础。随后，钻井、录井和测井的各种可以反映是地层孔隙度和岩石性质变化的 数据都被尝试用来预测地层孔隙压力( b o a n l l 锄【2 2 1 ，1 9 6 7 ；b o r e l 和l e 丽s ，1 9 6 9 ；m a t n l e w s 和k e l l y 【2 3 1 ，1 9 6 7 ；m a g a m ，1 9 7 8 ) 。 2 0 世纪7 0 年代e a t o n 【2 4 】详细分析和总结了前人的工作，针对当时流行的建立在以 压实作用为主要增压机制和等效深度法基础上的压力预测方法存在的问题，提出了上覆 岩负荷压力和地层压力随埋深变化的概念，建立了基于有效应力方程的页岩电阻率、d c 指数和声波时差的地层孔隙压力关系式以及计算地层破裂压力的公式，即著名的伊顿 法。在伊顿法中，异常地层压力形成的机制已不限于压实作用，地层因素、成岩过程及 地层的组合条件等都可能影响压力的大小。这实际上是一种建立在泥质岩压实理论基础 上的经验关系方法( m o u c h e t 和m i t c h e l l 【2 5 1 ，1 9 8 9 ) ，在实际应用中需要大量的钻井测井 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 资料对公式中的参数进行标定。尽管伊顿法在某些地层的应用还存在一些问题，但在大 多数盆地具有重要的实用价值，在地层压力预测工作中广泛使用。 2 0 世纪8 0 年代地震测量及处理技术的进步，地震资料在地层压力预测中得到广泛 的应用( b e l l o t t i 和g i a c c a ，19 7 8 ；f i l l i p p o n ew r f 2 6 之7 1 ，19 8 2 ；m a r t i n e z 【2 8 】，19 8 6 ；d o b 血i n 和s e r e b r y a k o v ，1 9 8 9 ) ，使得对于地震信息的利用已不仅限于层速度，而是趋向于对二 维地震剖面乃到三维地震数据体的综合分析和处理。 2 0 世纪9 0 年代国际上开始把人工智能引入到地震测井与地层特征参数的联合反演， 在进行了深入的理论研究后一些石油公司投入巨资开发了一系列软件。 综上所述，基于人工智能的地层孔隙压力等地层特征参数预测，国外学者进行了深 入的理论研究并在一些方面取得了一些突破，一些石油公司根据这些理论开发了地层特 征参数预测系统，应用到钻井勘探开发工程中，取得了巨大的经济效益。 国内对地层孔隙压力等地层特征参数预测的研究起步较晚，在2 0 世纪9 0 年代以来 国内学者对地层特征参数预测的理论及应用中进行了大量研究工作。 1 9 9 4 年戈盾口9 1 研究利用地震资料来预测地层压力，王越之和李白俊【3 1 1 研究采用 对数式正常趋势线求解地层孔隙压力的声波时差法。 1 9 9 9 年卢欣卫、林万昌、范训礼p 2 1 等研究了根据地震及测井资料用神经网络进行 岩性识别、储油层及油气预测；周长春、陈峰等采用遗传算法进行测井解释、岩性识别 及油样属性分析；周家纪【3 3 1 、周成当、何平等采用模糊理论、神经网络、遗传算法相互 结合进行了岩性识别、油气预测。 2 0 0 0 年，赵铭海、陈学国【蚓等人根据地震、地质、测井资料，配合录井、实钻、 测试等结果，建立比较准确的地层孔隙压力预测剖面( 孔隙压力随井深的变化规律) 。 利用声波时差回归有效应力，在此基础上预测地层孔隙压力。在胜利探区推广应用，为 近2 0 0 口探井提供了地层压力预测剖面，较好第解决了钻井工程设计中的地层压力预测 问题。 2 0 0 0 年肖慈殉和彭真明【3 5 1 研究地震测井联合预测地层孔隙压力的方法，并取得了 良好的效果。 2 0 0 2 年，张树林，赵铭海研究了地层压力预测技术及其在油层保护中的应用。应用 有效应力法地层压力软件为胜利油田压敏型地区提供了近2 0 0 口探井的地层压力预测剖 面，效果良好，起到了保护油气层的良好效果。 2 0 0 2 年樊洪海【3 6 。8 1 研究不需要建立正常趋势线的适用于检测砂泥岩地层孔隙压力 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的综合解释方法，开发了钻井工程实时监测与井场信息软件系统，在实际应用中取得了 较好的效果。 胜利油田钻井院钻井信息中心对异常地层孔隙压力的随钻检测方法作了一定的研 究，提出了异常地层压力检测的新方法。其基本思想是以钻速方程为基础，利用遗传算 法分离出井底压差因子，通过井底压差因子随井深的变化判别地层压力随井深变化的趋 势，并提出了利用压差因子计算异常地层压力的方法。 总体而言，我国对于人工智能在地层压力预测的理论研究上世纪9 0 年代研究较多， 而近几年研究较少，鲜有突破性的进展。研究水平尚处于初级阶段，与国际先进水平相 比有一定差距，但基本能保持同步发展。地震、测井资料的缺乏、不准确及现有资料不 能很好的共享，影响了这一领域的深入研究。建模的方法少，人工智能建模的方法没有 得到充分运用。地层压力的预测和检测局限于砂泥岩地层。而且，国内此领域目前的理 论研究成果尚未形成规模化的应用，有效地解决勘探开发工程中存在的实际问题。因此， 迫切需要应用人工智能等理论，加强地层压力预测研究工作，提高预测的可靠性。 1 - 3 本文主要研究内容及结构安排 本文研究得主要目标是利用智能信息处理技术对待钻井的自然伽马和地层压力进 行预测，为地质环境建模打一个基础。本文主要内容包括： 1 基于支撑向量机的自然伽马测井曲线预测 ( 1 ) 地震预测自然伽马的数据预处理 由于地震记录是按时间序列采样，自然伽玛测井数据是按深度序列采样，而预测过 程是在时间域中进行的，因此自然伽玛必须进行深时转换，将深度域的自然伽玛转换到 时间域中，并参照地震时间采样间隔对时间域中的自然伽玛进行重采样，形成训练样本 集。 在实际测井环境中，各种环境因素不可避免地对测井曲线产生重要的影响，使测井 曲线出现与地层因素无关的毛刺干扰。对测井曲线进行滤波，消除与地层性质无关的统 计起伏和毛刺干扰，保留曲线上反映地层特性的有用成份，适当去除井的高频成份，使 测井资料与地震资料尽可能匹配。 在利用已知井的训练样本集，通过支撑向量机的反复学习来建立地震记录时间序列 与自然伽玛非线性映射的过程中，我们发现绝大多数地震数据与自然伽玛本身的直接关 系并不十分明显，我们需要建立地震数据与自然伽马滤波之间比较明显的映射关系。 ( 2 ) 地震数据预测自然伽马 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 根据待钻井地震记录时间序列，区块已钻井地震数据和自然伽马测井数据，完成待 钻井自然伽马测井曲线的预测。 2 地层压力预测 传统的地层压力预测方法以泥质岩测井参数与深度的变化关系分析为基础，对砂泥 岩以外的地层是不适用的，并且需要建立正常压实趋势线。本文建立了一种基于有效应 力定理的地层压力预测模型。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章钻井工程地质环境建模 2 1 引言 岩性、地层压力预测是钻井工程地质环境建模的部分内容。地质建模过去往往被称 为储层建模( r e s e r v o i rm o d e l i n g ) ，主要在油气藏开发阶段使用，数据来源是地震和测 井的解释结果和生产测试资料。随着油气勘探开发过程中的多学科的不断融合，地质建 模技术己逐渐成为当今油藏描述的一个重要组成部分。 钻井工程地质环境建模是钻前对目标区块的定量描述，具有与储层建模相似的工作 流程，因此了解储层建模的过程、方法可以让我们对钻井工程地质环境建模需要解决的 问题有更好、更准确的认识。 与储层建模类似，钻井工程地质环境建模首先应建立其基础钻井工程地质数据 库，也就是钻前获取对各种地质参数的准确预测值。通过与采用地震资料地质参数预测 方法的对比，确定采用测井资料的地质参数预测方法对各种地质参数进行预测。 本章内容安排如下，2 2 节对储层建模的内容、方法进行介绍；2 3 节对钻井工程地 质环境建模进行概述，重点讨论钻井工程地质数据库的基础地质参数的预测方法； 2 4 节是本章的小结。 2 2 储层地质建模概述 从本质上讲，三维储层建模从三维角度对储层模型进行定量的研究，建立其三维模 型，其核心是对井间储层进行多学科综合一体化、三维定量化及可视化的预测。地质建 模技术主要包括构造建模和属性建模2 个方面。研究工作流程包括以下几个步骤【3 9 】： 1 建立地层框架模型( 觚m o d e l ) 根据地震资料构造解释和层序解释结果得到主要的地质界面( 如地层界面、洪泛面、 沉积间断面、储集层的顶底面等) 和断裂系统，采用计算集合的算法准确地描述空间曲 面( 地质界面和断层面) 的拓扑关系，得到表达油气藏几何构型的地层框架模型。 2 建立地层实体模型。 由于地层框架模型只有地质界面和断层面，不能描述油气藏的非均质性的横向变 化。因此需要在此基础上，进一步地细化，通过定义层间的沉积结构进行三维空间内地 层网格的构建，从而表达地层实体模型。 3 建立地质约束条件。 根据井中质料和区域性地质资料的综合分析，可以获得对研究区域内沉积环境和沉 7 积相空间分布规律的认识，同时也可以获得不同地层中特殊地质体( 河道砂体、浊积扇 体和裂缝体) 的分巾特征等地质信息这些信息采用一定的数据表达方式u r 以作为属性 建模过程中的地质约束条件。 4 属性数据的便已函数分析( v a f i o g r a ma n 赳y s i s ) 。 地质建模中的属性建模技术以变异函数分析的地质统计方法为基础。变异函数分析 目的是找出某个属性( 孔隙度、渗透率和流体饱和度等物性参数) 的区域变化规律从 而为确定性建模和不确定性建模提供数据内插和外推的控制条件。 5 岩石物理属性建模( p e “叩h y s i c a lm o d e l i n g ) 。 地层实体模型将地层框架模型进行细化，建立三维地层网格( s 州鲫m c 西d ) 。变 异函数分析结果可以作为属性建模方法选择的依据，同时引入沉积相和岩相模型，采用 确定性插值算法或随机模拟算法计算每个三维地层网格的属性值，最终得到油气减岩石 物理属性模型( 图2 1 ) 。 图2 一i 油气鬣的属性镇型 f i 鐾n 2 1 n n b u 惝m o d e l o f 0 * g a sr 鹤e n m 奸 上面讨论了地质建模的5 个步骤，但是地质建模并不是油气藏勘探开发的目的，而 是表述地质认识的技术手段。通过网格粗话( u p _ s c 宙i n g ) 油气藏属性模型需要接受 油气减动态模拟和实际丌发的验证：通过生成规则数据体油气藏属性模型，可以作为地 震勘探处理解释的基础( 如：地层速度模型) ，通过实际应用验证可以发现模型与实 际油气减之日j 的误差，进行模型的修改，从而不断地逼近真实。因此，油气藏地质建模 过程是不断完善的迭代过程。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 1 构造建模 油气藏构造建模技术是油气藏地质建模的基础。该项技术设计三维图形学和计算几 何的诸多内容，主要包括：空间曲面拟合插值技术，空间曲面网格剖分技术，空间曲面 拓扑关系描述方法，空间曲面拓扑关系计算方法，以及三维地层网格剖分技术等。三维 地层网格是地层实体模型的最小单元，属性建模的目的就是给这些单元赋予岩石物理属 性( i n f i l la t t r i b u t e s ) 。 1 地质模型中的空间曲面 通过地震资料构造解释和层序解释，得到以离散数据点( x ，y ，z ) 表达的地质界 面和断层面。这些地质界面和断层面在三维图形中就是空间曲面。构造建模的首要任务 就是将空间曲面的离散数据点进行拟合和插值，然后再进空间曲面的网格剖分。在空间 曲面离散数据插值方面，m a l l e t 提出的“离散数据光滑插值”技术，是构造建模发展历 程中的一个里程碑。该项技术通过十余年的发展，已经成为完整的构造建模技术序列。 空间曲面网格剖分的本质，及时将复杂的空间曲面划分为简单几何面的过车工。可 以采用的方法包括：矩形网格剖分、二维维诺网格剖分和三角网格剖分等，这些网格剖 分方法具有不同的特点，对于描述空间曲面的精度也存在差异，但是由于地质界面和断 层面是不规则的矩形面( 在任意平面上的投影) ，所以该项技术表达地址模型中的空间 曲面存在误差；二维维诺网格剖分通过有限的多边形实现复杂曲面的剖分，能够较为准 确地进行地质界面和断层面的表达，但是由于在地质模型中空间曲面之间存在空间相交 的情况( 图2 2 例) ，在处理空间曲面拓扑关系方面显得较为困难；三角形作为描述平 面的最小图形单元，具有描述任意复杂曲面的能力，同时可以实现空间曲面拓扑关系的 准确定义，所以在构造建模技术的空间曲面生成汇中，应该使用三角剖分的技术。 2 空间曲面拓扑关系 构成地层框架模型的主要地质元素是地质界面和断层面。由于地质条件的不同和地 层经历的构造运动不同，地质界面和断层面的组合关系千差万别，因此除了地质界面和 断层界面基本要素以外，地层框架模型还必须包括空间曲面的拓扑关系：断层面一断层 面之间的拓扑关系，地质界面一断层面之间的拓扑关系和地质界面一地质界面的拓扑关 系。 9 图2 2 地质模型中的地质界面与断层 n 胛r e 2 - 2g 蛐l o 画曲i 蛐r h c 啪d h u l cs u r h 钟h 霉帅i o 舒c 日i m o d d 在确定空间曲面的拓扑关系方面，最高原则是通过计算空间曲面的空问相交线，实 现地质模型中地质界面和断层的拓扑一致和几何一致( 图2 一妒9 1 ) 。 对于如何在地质建模中确定空白】曲面的拓扑关系，e l l l e r 于1 9 9 8 年提出了完整的技术 思路和实现途径。地质建模中空间曲面拓扑关系的确定一般分为三个步骤。 ( ”输入所有断层面数据，建立断层面与断层面之间的空间拓扑关系。在断层呵计算 交线过程中，遵循丰断层不能被次断层切割早期形成的断层不能切割晚期形成的所崖， 晚期彤成的断层可以切割早期形成的断层的原则，但是被切割的早期断层在进行数据姓 理叫通常不被认为是同一断层。 ( 2 ) 输入所有地质界面数据，确定地质界面与地质界面之间的空叫拓扑关系。地质界 面的空间拓扑关系包括：空间曲线不整合面与下伏地层面上覆地层面的相关关系； 空间曲面盐匠、火山穿刺的穿时面等。 ( 3 ) 在确定相同性质的空间曲面拓扑关系的基础上，创建地质界面与断层面之间的拓 扑关系。在该过程中断层面可以切割地质界面地质界面绝对不能切割断层面，还必 须考虑断层面与地质界面的二值曲面( 逆断层上下盘层位、盐丘和火成岩层状侵入体) 的特殊处理。 中国石油大学( 牛末) 碰l 岸位论文 固2 3 确定地质界面与断层面的拓扑关系( 几何一致拓扑一致) f i 印n 2 3f i 血2 m e 伽p 0 i o 盯仲k 如3 h 唔b e l w e 蚰g l o g k a ls u r 衄c e a n d h u ns u r h 3三维地层网格剖分 三维地层网格是构成层状实体模型的基本单元。三维网格剖分技术建立在地层框架 模型的基础上，采用计算几何中的算法，通过定义层间地层的不同产状，在地层顶、底 界面之l w 生成可以描述地层空间单元的三维地层网格。三维地层网格的描述方法包括： 四面体网格，三维维诺网格和任意六面体网格。其中，四面体网格描述空间任意形状的 能力较强，三维维诺网格剖分计算难度较大。但是这2 种三维网格对于描述层装展布的 地层刁i 太适合。在层状展布的地层中使用四面体或三维雏诺网格描述时，其网格中心点 或角点的岩石物理属性缺少地质概念( 地层沉积层理) 的支持。所以，对于地层内部的 沉积单元的描述应该采用任意六面提，这样可以兼顾岩石物理属性的表述。 利用任意六面体进行地质模型中三维地层网格的剖分，虽然可以用简介的数据结构 表述复杂的空间地质提，但是，在三维地层万个的处理过程中，必须在断层面附近进行 网格的变形，以是想三维地层网格与断层面的基本耦合，包括：三维网格的撕裂和融合 的处理。 222 属性建模 属性建模也就是井间储层特征的预测，即应用已有信息预测储层特征的三维分布， 这就要求相应的建模方法，它决定着所建立的模型是否符合地下地质实际，亦即建模精 度。从本质上讲储层地质建模是从三维的角度对储层进行定量的研究，其核心是对井 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 间储层进行多学科综合一体化、三维定量化及可视化的预测。在给定资料前提下，井间 储层预测有两种途径，相应地也就有两种建模途径，即确定性建模和随机建模。确定性 建模是对井间未知区给出确定性的预测结果，而随机建模则是对井间未知区应用随机模 拟方法给出多个“可选”的、“等可能 的预测结果。 下文就地质建模的核心环节储层建模的方法技术作一简述。 1 确定性建模 确定性建模是从具有确定性资料的控制点( 如井点) 出发，推测出点间( 如井间) 确定的、唯一的储层参数。确定性建模方法主要有储层地震学方法、储层沉积学方法及 地质统计学克里金插值方法，三者可单独使用，亦可结合使用。 ( 1 ) 储层地震学方法 储层地震学主要是应用地震资料研究储层的几何形态、岩性及储层参数的分布。研 究厚度相对较小，一般在几米至几十米范围内，在地震剖面上主要表现为一个反射同 相轴或几个同相轴组成的反射波组。应用地震资料进行确定性储层建模的思路主要是将 地震属性参数，如层速度、波阻抗、振幅等转换为储层岩性和物性参数，其前提是地震 属性参数与地质参数之间具有确定的关系。 ( 2 ) 储层沉积学方法 储层沉积学方法主要用于建立储层相模型。建模的主要过程是科学地井间砂体对 比。应用层序地层学原理，识别并对比反映基准面高频变化的关键面( 如洪泛面、海侵 冲刷面等) 或高频基准面转换旋回，为砂体对比提供等时地层框架。然后，在沉积模式 指导下，综合应用岩心、测井甚至地震资料进行砂体对比分析与建模。 ( 3 ) 克里金插值方法 在确定性储层参数建模中，主要应用插值方法对空间上每个网格赋以储层参数值 ( 孔隙度、渗透率或含油饱和度) 。由于传统的数理统计学插值方法只考虑观测点与待估 点之间的距离，而不考虑地质规律所造成的储层参数在空间上的相关性，因此插值精 度很低。为了提高对储层参数的估值精度，广泛应用克里金方法来进行井间插值，其 核心是根据待估点周围的若干已知信息，应用变差函数对待估点的未知值做出“最优” ( 即估计方差最小) 、“无偏”( 即估计值的均值与观测值的均值相同) 的估计。相应 的克里金方法已有很多论述，本文从略。 2 随机建模 由于地质的复杂性及资料的不完备性，储层预测与建模中总是存在着一些不确定 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 性。为了评价储层预测中的不确定性，人们广泛应用了随机建模技术。所谓随机建模， 是指以已知的信息为基础，以随机函数为理论，应用随机模拟方法，产生可选的、等可 能的储层模型的方法。通过对多个等可能随机储层模型中的不确定性进行评价，以满足 油田勘探开发决策在一定风险范围的正确性的需要，这是与确定性建模方法的重要差 别。按照随机模拟中空间赋值的方式，可以把随机建模方法分为两大类：基于目标的 方法和基于象元的方法。表2 一l 为综合考虑模型和算法的随机模拟方法的分类。 表2 1 随机模拟方法分类 t a b i e 2 1s t o c h a s t i cs i m u l a t i o nm e t h o d sc l a s s i n c a t i o n 算法及模型 随机模拟 序贯模拟误差模拟 概率场模拟优化算法模型性质 基于目标的 示性点模拟 模拟退火离散 随机模型 过程模拟 离散 ( 模拟退厉可用 高斯域 序贯高斯模拟专向带模拟概率场高斯模拟连续 作后处理) ( 模拟退火可用 截断高斯域离散 作后处理) ( 模拟退火可用 基于相元 指示模拟序贯指示模拟概率场指示模拟 作后处理) 离射连续 的随机模型 分形随机模拟分形模拟连续 马尔可夫随机域马尔科大模拟离散连续 多点统计 离散 ( 1 ) 基于目标的随机建模方法 基于目标的方法，是通过对目标几何形态( 如长、宽、厚及其之间定量关系) 的研 究，在建模过程中直接产生目标体。通过定义目标的不同几何形状参数以及各个参数之 间所具有的地质意义上的关系，可以真实再现储层的三维形态。该方法包括两类，分别 为基于目标体结果的方法和基于目标体形成过程的方法。 a基于目标体结果的方法 早期的基于目标体结果的方法主要采用了布尔模型，如m a t h e r o n 认为概率模型符合 泊松点过程，即认为目标中心点位置符合齐次泊松点过( h o m o g e n e o u sp o i s s o n p r o c e s s ) 。随后，c h e s s a 等对齐次泊松点过程提出了改进措施，即在无井区模拟采用非 齐次的泊松点过程，从而满足了井间与井点分布具有差异的要求；为了表征不同储层成 因单元的相互关系，又提出了采用g i b b s 点过程来描述砂体间相互关系。另在目标形态 再现方面，s y v e r s v e e 给出了再现泥岩顶底曲线特征的算法并对多井钻遇同一目标进行了 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 考虑，通过引入泥岩配置参数，描述泥岩为多口井钻遇情况，从而再现多井钻遇同一目 标的问题。d e u t s c h 等提出了基于目标的层次模型( f l u v s i m ) 。在该方法中，使用基于目 标的模拟方法模拟了河道、溢岸、决口扇及泛滥平原等四种相的联合分布。 j o n e s 提出了基于流线分布建立河流相储层模型的方法。他通过一系列指示主要流动 方向的线段来模拟沉积作用的流动趋势特征。利用古水流轨迹建立了指示河流流动方向 的流线，局部随机修改方位角就可以再现河流流动方位变化特征。 p a t t e r s o n 也做了类似的研究。更进一步，他通过计算河流中线曲率，利用通用“示 性点过程 ，结合流线的模拟，对点坝位置及倾向模拟进行了探索性研究。 上述基于目标的方法均可归属于广义的示性点过程方法，其中基于点过程的模拟方 法使用经典的点模型刻画地质体的分布，而使用流线的方法则可以产生较为连续的目标 体。 b 基于目标体形成过程的方法 从模拟目标体的沉积过程来刻画非均质储层的建模方法，可称为“基于过程” ( p r o c e s s - b a s e d ) 的随机模拟方法。法国地质统计学中心一研究组开发了一个结合地质 统计学和沉积学的储层模拟程序。模型刻画了河道及与之相关的沉积物随时间在空间的 变化。纵向上通过相比例来进行模型约束。该模拟方法是基于沉积过程的模拟但同时又 通过随机方法来控制河道的演化过程( 如侧向迁移、决口、改道等) 。由于利用了沉积 动力学和河床演变学的研究成果，所以产生的河道形态较为真实。 基于目标的模拟方法具有其独有的优点：使用灵活，一些先验的地质知识可容易地 作为条件信息加入到模型中去，如各种相百分比、砂体宽厚比、各种相空间分布规律等， 这样就可最大限度地综合地质家的认识。但是，基于目标的模拟方法要求很强的先验地 质知识，因此，如何最大限度地获取这一先验地质知识并有效地整合到模型中去，是提 高建模精度的关键。 ( 2 ) 基于象元的随机建模方法 对于基于象元的随机模型，其基本模拟单元为网格化储层格架中的单个网格，既可 用于连续性储层参数的模拟，亦可用于离散地质体的模拟。基于象元的随机模拟方法， 其基本思路是首先根据条件数据( 如图2 5 a 【4 0 1 ，以孔隙度为例) 建立待模拟网格的累 计条件概率分布函数( c c d f ) ( 图2 5 b ) ，然后对其进行随机模拟，即从c c d f 中随机地 提取分位数，便得到该网格的模拟实现( 图2 5 c ) 。 a传统的基于两点统计学的方法在传统的基于两点统计学的方法中，共同的特点c c d f 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 均可以由解一系列克里会方程来求取。这些方法包括高斯模拟、截断高斯模拟、指示模 拟等。高斯随机域是最经典的随机函数，该模型的最大特征是随机变量符合高斯分布 ( 正态分布) 。 a ) 条件数据及待模拟位置 a ) c o n d i t i o n a id a t aa n ds i m u l a t e di o c a t i o n b ) 条件概率分布函数( c c d f ) 及模拟值 b ) c u m u l a t i v ec o n d i t i o n a ip r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf h n c t i o n sa n ds i m u i a t e dv a l u e s 图2 5 基于象元的随机建模示意图 f i g u r e 2 5 t h es k e t c hm a po f p i x e l - b a s e ds t o c h a s t i cm o d e i i n g 实际中经常应用序贯模拟，即为序贯高斯模拟，多用于连续变量的模拟。序贯高斯 模拟过程是从一个象元到另一个象元序贯进行，而且用于计算某象元c c d 珀勺条件数据除 原始数据外，还考虑已模拟过的所有数据。从c c d f 中随机地提取分位数便可得到模拟实 现。 截断高斯随机域属于离散随机模型，其基本模拟思路是通过一系列门槛值截断规则 网格中的三维连续变量而建立物体的三维分布。其中，连续变量( 如粒度中值) 首先转 换成高斯分布( 正态分布) ，然后通过变差函数模型，应用任一连续高斯域模拟方法建 立三维连续变量的分布。另外，通过对离散物体( 如不同沉积相) 编码并进行高斯域模 拟，亦可得到三维离散变量的分